基于三層架構的智慧教室設計

黃寒燕

（江西財經大學，江西 南昌 330013）

1 引言

教室是課堂教學和學生學習的主要場所之一，創造一個良好的科學育人的環境可以極大地提高學生受教育的水平。在現代教育方式中，越來越多的先進技術被用于課堂環境中，如：無塵教學系統、溫濕度感應系統、燈光控制系統、學生管理系統等。隨著科學技術的不斷進步，傳感網絡、射頻識別、移動通信、中間件技術等深度融入教室，構建基于物聯網的智慧教室，讓課堂教學更加高效，并能夠打破傳統“填鴨”教育方式，豐富學生學習生活，開發學生獨立思考和自主學習的能力。

2 智慧教室概念

智慧教室誕生于現代教育思想改革與科學技術革新的時代背景下，以更貼近互動式教學、現代化教學和智能化課堂管理為目標，運用物聯網技術、大數據技術、云計算技術、移動通信技術等實現人機交互，輔助課堂教學[1]。智慧教室是科學技術與課堂教育深度融合，通過對教學環境外部條件的優化進行課堂教學創新，增強人與物、人與人之間的互動，提升課堂教學質量。智慧教室的構成按照實施環境可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分包括傳感器、監視器、RFID讀寫器、網絡適配器等物聯網搭建的基礎設備；軟件部分是基于通信技術、傳感技術、網絡技術搭建的滿足現代化教學需求的應用平臺，整合教室資源進行一體化管理[2]。智慧教室的設計按照系統功能可分為教學一體化系統、空調自動控制系統、監控系統、燈光自動調節系統、溫濕度自動調節系統、資產管理系統等[3]。

3 智慧教室架構設計

智慧教室將可利用智能化教學設備進行物理搭建，并通過軟件技術實現物物互聯，其架構層次可分為感知層、網絡層和應用層三個部分。搭建智慧教室應用場景，其整體架構設計如圖1所示。

圖1 智慧教室三層架構

感知層是利用傳感器、攝像頭、RFID、電子標簽等感知設備對教室空間的環境信息進行采集，并將采集到的數據進行數據匯總與加工，利用網絡層傳送給應用層進行應用。感知層是由多個信息采集節點以星型網絡結構搭建，各節點根據采集設備功能采集教室信息，如：溫濕度傳感器節點采集教室溫度和濕度、亮度傳感器采集教室亮度、網絡攝像頭采集教室視頻、RFID 傳感器接收學生考勤和移動偵測學生活動、電子標簽記錄學生信息/考試信息等。

網絡層負責教室教學與管理的數據傳遞與處理，一方面處理教室教學過程中產生的數據，另一方面通過校園網絡進行教室內外部信息的交換。利用光載無線交換機構建智慧教室無線網絡，結合交換機和路由器將教室內各種硬件設施進行組網連接，形成人機交流的網絡系統，實現智慧教室信息的互聯互通與教學設備的智能控制[4]。網絡層可采用的通信組網技術包括CAN 現場總線、RS-485 總線、以太網、Zig-Bee 無線技術、WIFI 無線技術、5G 網絡等，將有線網絡和無線網絡相結合，滿足智慧教室的通信需求。

應用層是將網絡層傳遞來的感知層數據進行加工應用，通過教學系統、考勤系統、監控系統、環境自動控制系統等實現智慧教室管理。教師與學生可以通過電腦、手機等設備連接到應用層進行智慧教室的應用，構建成一個完整的智能教學生態系統，輔助教師教學、學生學習和教室的智能化管理。

4 智慧教室物理環境設計

4.1 物理環境搭建

智慧教室物理環境是以電子教學設備、管理設備自動化控制為目的建立的物聯網環境，能夠將多媒體教學設備、教室照明設備、空調、音響、門禁等統一管理，并實現自主感應控制。首先利用獨立CAN控制器對智慧教室物理環境進行綜合布線，將教室中的電子、電氣設備設立統一的、唯一的標識編碼，設立獨立的控制節點，由智能網關發送指令進行控制，可按照報文標識符設置節點信息傳送的優先級，CAN總線進行各節點之間的信息通信交互，用戶可通過終端設備連接智能網關進行設備的設置與管理[5]。智慧教室物理環境如圖2所示。

圖2 智慧教室物理環境

智能教室硬件環境的控制可通過網絡實現本地或異地管理，用戶通過互聯網連接智能網關，操控控制平臺，進行智慧教室設備的管理。加設防火墻和使用節點虛擬專用網絡VPN設備，保證智慧教室設備使用的安全。

4.2 物聯環境控制

智慧教室的采集系統是由溫濕度傳感器、光照感應器、煙霧傳感器、紅外傳感器等構成，傳感器聯動教室控制設備，如溫濕度傳感器連接中央空調、光照傳感器連接燈光照明和窗簾、煙霧傳感器連接消防、紅外傳感器連接攝像頭等[6]。各類傳感器根據設置的教室環境狀態進行監測，當教室環境高于或者低于傳感器設置的感應范圍則自動反饋中央控制系統對硬件設備進行開關或者調解決策，實現智慧教室物理環境的智能化管理。各類傳感器節點的布置采用ZigBee 技術進行節點管理，對所覆蓋范圍的傳感對象進行監控[7]，采集系統結構如圖3所示。

圖3 采集系統結構

隨著智慧教室的電氣設備越來越豐富，采用個體節點、匯聚節點和控制節點多節點聯動機制進行管理，其中個體節點負責控制單個傳感器設備，匯聚節點聚集同類傳感器采集信息，控制節點對匯聚節點的信息進行處理上傳到外部網絡，同時控制節點也可以接收外部指令下發給各個體節點進行個體電氣設備的獨立控制。

5 智慧教室軟件環境設計

智慧教室軟件環境是由多個獨立的硬件系統實現教室的管理，主要包括：智能教學系統、教室環境管理系統、學生管理系統等[8]。針對不同開發環境搭建的硬件系統需要獨立應用與維護，存在軟硬件供應體系不同管理難度大、維護成本高等問題，因此設計基于云計算跨平臺的智慧教室軟件系統實現智慧教室一體化管理。

5.1 關鍵技術

智慧教室軟件環境涉及關鍵技術主要有虛擬化技術、云存儲技術、數據庫技術和云安全技術等。為了實現操作系統與底層物理設備分離，采用虛擬化技術建立資源池，按照用戶類型分配系統應用功能[9]。首先使用VMware 技術和Hyper-V技術將智能教室物理環境設備與數據中心服務器進行資源整合，由虛擬機對資源進行集中管理與控制，根據用戶權限開啟對應智慧教室功能，如：教師可開啟智能教學系統具有針對性地進行教學互動和課堂診斷，學生則可開啟智能學習系統選擇名師視頻輔導、課堂隨機測試；其次，采用云存儲技術對課堂產生的活動信息進行邏輯存儲，并通過TPC進行存儲資源的調配和統一管理；最后，采用VSwitch虛擬網絡交換機技術對網絡虛擬化，實現用戶桌面與主機分離，直接在云端進行系統應用，保證云數據中心的安全[10]。

5.2 軟件平臺架構設計

智慧教室軟件系統基于云服務搭建應用服務層（SaaS）、中間件層（PaaS）和基礎設施層（IaaS）[11]。SaaS層為用戶提供教學、空調、照明、通風、考勤、監控等可視化操作系統；PaaS層進行用戶管理、數據管理、資源管理、安全管理、認證管理和接口管理等；IaaS 層提供服務器資源、網絡資源、計算資源、存儲資源、算法資源、應用軟件等，軟件平臺架構如圖4所示。

圖4 軟件平臺架構

SaaS 層為用戶使用終端設備控制和使用智慧教室的電氣設備和系統提供友好界面；PaaS層將對系統功能進行維護與升級，進行系統用戶的管理與控制；IaaS 層對分散的智慧教室硬件資源進行整合，通過虛擬化資源池為用戶提供底層資源。

6 結語

物聯網和云計算是未來智慧教室建設與推廣的兩大技術支撐體系，將二者有效地與數字化教學資源相結合，利用物聯網技術將教室內的電氣設備聯網自主控制，利用云計算實現異構資源的統一管理與應用，形成人與物、物與物之間的無障礙互通，可以讓課堂教學更加便利與舒適，具有廣泛的應用前景。